(57)【要約】【課題】スイッチングデバイスの特性のばらつきによる影響を緩和することにより、安定した動作を実現し得る電力変換器及び電圧制御方法を得る。【解決手段】ゲート電圧補正部７は、各温度Ｔ1〜Ｔ6から平均温度Ｔavrをそれぞれ減算することにより、各トランジスタＱ１〜Ｑ６に関する温度差ΔＴ1〜ΔＴ6を算出する。次に、各温度差ΔＴ1〜ΔＴ6と、予め設定・保持しておいた温度差異常値ΔＴHとをそれぞれ比較することにより、各トランジスタＱ１〜Ｑ６ごとに高温異常であるか否かを判定する。高温異常が生じているトランジスタＱ１に関しては、現時点でのゲート電圧の設定値ＶGS1が、予め設定・保持しておいたゲート電圧の正の上限値ＶGSmax以上であるか否かを判定し、現時点での設定値ＶGS1が上限値ＶGSmax未満である場合は、予め設定しておいた刻み幅ΔＶGSだけ設定値ＶGS1を上げるように、ゲート電圧制御部６に命令を送出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々が制御電極を有する複数のスイッチングデバイスと、
前記複数のスイッチングデバイスの各々の温度を検出する温度センサと、
前記複数のスイッチングデバイスの各々の前記制御電極に対して、個別に制御電圧を印加可能な電圧制御回路と
を備え、
前記電圧制御回路は、前記温度センサの検出結果に基づき高温異常のスイッチングデバイスが検出された場合、当該スイッチングデバイスの前記制御電極に印加する前記制御電圧の値を補正することを特徴とする、電力変換器。
【請求項２】
前記複数のスイッチングデバイスはいずれもワイドバンドギャップ半導体デバイスである、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項３】
各々が制御電極を有する複数のスイッチングデバイスを備える電力変換器において、前記複数のスイッチングデバイスの各々の前記制御電極に対して個別に印加する制御電圧を制御する方法であって、
（ａ）前記複数のスイッチングデバイスの各々の温度を検出するステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）における検出結果に基づき高温異常のスイッチングデバイスが検出された場合、当該スイッチングデバイスのオン抵抗が低下するように、当該スイッチングデバイスの前記制御電極に印加する前記制御電圧の値を補正するステップと
を備える、電圧制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ駆動用インバータ等の電力変換器及び電圧制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保全の観点から自動車においても低燃費化が要求されており、内燃機関及びモータの双方を動力源として用いるハイブリッド自動車（ＨＥＶ）が注目されている。ＨＥＶをはじめとして電気自動車や燃料電池車においても、モータとして用いられているのは専ら三相交流モータである。三相交流モータは三相インバータによって駆動され、三相インバータは６個のスイッチングデバイスによって構成されている。インバータで発生する損失のほとんどは、これらのスイッチングデバイスにおける損失によって占められる。
【０００３】
スイッチングデバイスとして従来から用いられているシリコン（Ｓｉ）デバイスでは、損失低減のための性能改善が続けられてきたが、それも限界に近付いてきている。そこで、ＨＥＶの燃費改善のために、ＳｉＣやＧａＮといったワイドバンドギャップ（ＷＢＧ）半導体を材料とするＷＢＧ半導体デバイスを、スイッチングデバイスとして利用する動きが活発化している。
【０００４】
なお、過温度保護機能を備えた従来の電力用半導体装置が、下記特許文献１に開示されている。かかる電力用半導体装置は、複数の半導体スイッチング素子と、各スイッチング素子を駆動制御する駆動制御回路と、各スイッチング素子の近傍に配置された温度検出器と、スイッチング速度可変回路とを備えている。そして、スイッチング速度可変回路は、スイッチング素子の温度が所定温度以下の場合は、スイッチング素子のスイッチング速度を第１の速度に保持し、一方、スイッチング素子の温度が所定温度より大きい場合は、スイッチング速度を、第１の速度よりも早い第２の速度に変化させる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−９６３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スイッチングデバイスをインバータ等に使用する際には、複数のスイッチングデバイスのオン抵抗のばらつきを小さくしなければ、一部のスイッチングデバイスが過熱して破損に至るおそれがある。破損に至らない場合であっても、オン抵抗が大きいスイッチングデバイスでは、オン抵抗が小さいスイッチングデバイスに比較して、過熱による損失が大きくなる。しかしながら、ＷＢＧ半導体デバイスは、Ｓｉデバイスと比較して高温の製造プロセスで製造されるため、複数のスイッチングデバイスの特性を揃えることが困難である。
【０００７】
なお、上記特許文献１に開示された従来の電力用半導体装置によると、スイッチング速度可変回路は、スイッチング素子の温度が所定温度以下の場合は、スイッチング速度を第１の速度に保持し、一方、スイッチング素子の温度が所定温度より大きい場合は、スイッチング速度を、第１の速度よりも早い第２の速度に変化させる。しかしながら、ＷＢＧ半導体デバイスを用いた場合等、オン抵抗のばらつきが大きい場合には、高温異常のスイッチング素子のスイッチング速度を高速化するという制御方法によっては、そのスイッチング素子における損失を十分に低減させることができないおそれがある。
【０００８】
本発明はかかる事情に鑑みて成されたものであり、スイッチングデバイスの特性のばらつきによる影響を緩和することにより、安定した動作を実現し得る電力変換器及び電圧制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明に係る電力変換器は、各々が制御電極を有する複数のスイッチングデバイスと、前記複数のスイッチングデバイスの各々の温度を検出する温度センサと、前記複数のスイッチングデバイスの各々の前記制御電極に対して、個別に制御電圧を印加可能な電圧制御回路とを備え、前記電圧制御回路は、前記温度センサの検出結果に基づき高温異常のスイッチングデバイスが検出された場合、当該スイッチングデバイスの前記制御電極に印加する前記制御電圧の値を補正することを特徴とする。
【００１０】
第２の発明に係る電力変換器は、第１の発明に係る電力変換器において特に、前記複数のスイッチングデバイスはいずれもワイドバンドギャップ半導体デバイスであることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明に係る電圧制御方法は、各々が制御電極を有する複数のスイッチングデバイスを備える電力変換器において、前記複数のスイッチングデバイスの各々の前記制御電極に対して個別に印加する制御電圧を制御する方法であって、（ａ）前記複数のスイッチングデバイスの各々の温度を検出するステップと、（ｂ）前記ステップ（ａ）における検出結果に基づき高温異常のスイッチングデバイスが検出された場合、当該スイッチングデバイスのオン抵抗が低下するように、当該スイッチングデバイスの前記制御電極に印加する前記制御電圧の値を補正するステップとを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明に係る電力変換器によれば、電圧制御回路は、温度センサの検出結果に基づき高温異常のスイッチングデバイスが検出された場合、当該スイッチングデバイスの制御電極に印加する制御電圧の値を補正する。制御電圧の値が補正されることにより、当該スイッチングデバイスは、オン期間において完全なオン状態で動作可能となり、過熱が解消される。従って、オン抵抗のばらつきに起因する一部のスイッチングデバイスの過熱を緩和することができ、安定した動作を実現することが可能となる。
【００１３】
第２の発明に係る電力変換器によれば、高温プロセスに起因して特性が安定しにくいワイドバンドギャップ半導体デバイスを利用した電力変換器に対して本発明を適用することにより、オン抵抗のばらつきを制御電圧の補正によって吸収する実益が大きくなる。
【００１４】
第３の発明に係る電圧制御方法によれば、ステップ（ａ）における検出結果に基づき高温異常のスイッチングデバイスが検出された場合には、当該スイッチングデバイスのオン抵抗が低下するように、当該スイッチングデバイスの制御電極に印加する制御電圧の値が補正される。オン抵抗が低下するように制御電圧の値が補正されることにより、当該スイッチングデバイスは、オン期間において完全なオン状態で動作可能となり、過熱が解消される。従って、オン抵抗のばらつきに起因する一部のスイッチングデバイスの過熱を緩和することができ、安定した動作を実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換器の構成を示すブロック図である。インバータ回路２は、スイッチングデバイスであるトランジスタＱ１〜Ｑ６を備えている。トランジスタＱ１〜Ｑ６は、ＳｉＣやＧａＮ等のＷＢＧ半導体デバイスによって構成されている。本実施の形態では、トランジスタＱ１〜Ｑ６として、ノーマリ・オンのＪＦＥＴが使用されている場合を例にとり説明する。
【００１６】
トランジスタＱ１，Ｑ４は、バッテリ５の両端電圧である直流電源電圧ＶＨと直流電源電圧ＶＬとの間で、ノードＮＵを介して直列に接続されている。具体的に、トランジスタＱ１のドレイン電極は電源電圧ＶＨに接続され、ソース電極はノードＮＵに接続されている。また、トランジスタＱ４のドレイン電極はノードＮＵに接続され、ソース電極は電源電圧ＶＬに接続されている。同様に、トランジスタＱ２，Ｑ５は、電源電圧ＶＨと電源電圧ＶＬとの間でノードＮＶを介して直列に接続されており、トランジスタＱ３，Ｑ６は、電源電圧ＶＨと電源電圧ＶＬとの間でノードＮＷを介して直列に接続されている。
【００１７】
電圧制御回路３は、ゲート電圧制御部６とゲート電圧補正部７とを備えている。トランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲート電極は、ゲート電圧制御部６に接続されている。ゲート電圧制御部６は、トランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲート電極に電圧を個別に印加することにより、トランジスタＱ１〜Ｑ６をそれぞれ駆動する。
【００１８】
ノードＮＵ，ＮＶ，ＮＷは、電機モータ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電極にそれぞれ接続されている。ゲート電圧制御部６によってトランジスタＱ１〜Ｑ３及びトランジスタＱ４〜Ｑ６のいずれを駆動するかによって、電機モータ１が備える電磁コイルに流れる電流の向きを制御することができる。また、ゲート電圧制御部６からトランジスタＱ１〜Ｑ６の各ゲート電極に印加されるゲート電圧の値によって、電磁コイルに流れる電流の大きさを制御することができる。
【００１９】
トランジスタＱ１〜Ｑ６には、それぞれ温度センサ４１〜４６が取り付けられている。温度センサ４１〜４６からそれぞれ出力された温度検出信号は、ゲート電圧補正部７に入力される。ゲート電圧補正部７は、温度センサ４１〜４６からそれぞれ入力した温度検出信号に基づいて、高温異常のトランジスタＱ１〜Ｑ６の有無を判定する。そして、高温異常のトランジスタの存在が検出された場合、オン期間においてゲート電圧制御部６からそのトランジスタのゲート電極に印加するゲート電圧の値を増加補正する。ゲート電圧の補正処理の詳細については後述する。
【００２０】
ノーマリ・オンのＪＦＥＴは、ゲート電圧を印加していない場合（つまりゲート電圧が０Ｖの場合）にはオン状態となり、所定の負のしきい値電圧よりも小さい負のゲート電圧を印加することによりオフ状態となる。ところが、トランジスタＱ１〜Ｑ６のオン抵抗にばらつきがある場合には、オン抵抗が高いトランジスタについては、ゲート電圧を印加していない状態では完全なオン状態とはならない。このようなトランジスタは、他のトランジスタに比べて損失が大きくなり、温度上昇も大きくなる。また、ＪＦＥＴではＭＯＳＦＥＴと同様にオン抵抗が正の温度特性を持つため、定電流動作をさせた場合、温度上昇による損失の増加で過熱し、トランジスタが破損に至るおそれがある。そこで、ゲート電圧を印加していない状態で完全なオン状態とならないトランジスタに関しては、オン期間における０Ｖのゲート電圧を正のゲート電圧に補正することにより、完全なオン状態で動作させて過熱を解消する必要がある。
【００２１】
図２は、ゲート電圧補正部７によるゲート電圧の補正処理の流れを示すフローチャートである。以下、図１，２を参照して、本発明に係るゲート電圧の制御方法（制御アルゴリズム）について説明する。
【００２２】
まずステップＳＴ１において、温度センサ４１〜４６によってトランジスタＱ１〜Ｑ６の温度Ｔ1〜Ｔ6をそれぞれ検出する。検出された温度Ｔ1〜Ｔ6は、温度検出信号として温度センサ４１〜４６からゲート電圧補正部７にそれぞれ入力される。
【００２３】
次にステップＳＴ２において、ゲート電圧補正部７は、合計６サンプルの温度Ｔ1〜Ｔ6から最大値（ここではＴ1とする）と最小値（ここではＴ6とする）とを除き、残りの４サンプルの温度Ｔ2〜Ｔ5を平均することにより、平均温度Ｔavrを算出する。なお、ここでは最大値及び最小値を除く４サンプルの温度の平均値を算出する例について述べたが、これに限らず、６サンプル全ての温度から平均値を算出してもよいし、あるいは、平均値ではなく中央値や最頻値等の他の代表値を用いてもよい。
【００２４】
次に、ステップＳＴ３において、ゲート電圧補正部７は、各温度Ｔ1〜Ｔ6から平均温度Ｔavrをそれぞれ減算することにより、各トランジスタＱ１〜Ｑ６に関する温度差ΔＴ1〜ΔＴ6を算出する。
【００２５】
次にステップＳＴ４において、ゲート電圧補正部７は、各温度差ΔＴ1〜ΔＴ6と、予め設定・保持しておいた温度差異常値ΔＴHとをそれぞれ比較することにより、各トランジスタＱ１〜Ｑ６ごとに過熱（高温異常）であるか否かを判定する。具体的には、温度差ΔＴが温度差異常値ΔＴH以上であるトランジスタに関しては高温異常と判定し、温度差ΔＴが温度差異常値ΔＴH未満であるトランジスタに関しては正常と判定する。ここでは、温度差ΔＴ1は温度差異常値ΔＴHよりも大きく、温度差ΔＴ2〜ΔＴ6は温度差異常値ΔＴHよりも小さいとする。つまり、トランジスタＱ１に関してのみ高温異常が生じているということである。
【００２６】
高温異常が生じているトランジスタＱ１に関しては、次にステップＳＴ５において、ゲート電圧補正部７は、現時点でのゲート電圧の設定値ＶGS1が、予め設定・保持しておいたゲート電圧の正の上限値ＶGSmax以上であるか否かを判定する。
【００２７】
現時点での設定値ＶGS1が上限値ＶGSmax未満である場合は、次にステップＳＴ６において、ゲート電圧補正部７は、予め設定しておいた刻み幅ΔＶGSだけ設定値ＶGS1を上げるようにゲート電圧制御部６に命令を送出し、ゲート電圧制御部６は、オン期間におけるトランジスタＱ１のゲート電圧をＶGS1＋ΔＶGSに増加補正する。ゲート電圧が増加補正されたことにより、トランジスタＱ１は、オン抵抗が低下し、オン期間において完全なオン状態で動作される。
【００２８】
ステップＳＴ４において正常であると判定されたトランジスタＱ２〜Ｑ６に関しては、ゲート電圧の補正処理を行わず、現時点での設定値ＶGS2〜ＶGS6をそのまま維持する（ステップＳＴ７）。また、ステップＳＴ５において現時点での設定値ＶGS1が上限値ＶGSmax以上であると判定された場合にも、ゲート電圧の補正処理を行わず、現時点での設定値ＶGS1をそのまま維持する（ステップＳＴ７）。
【００２９】
以上で説明した処理は、一定の時間間隔おきに繰り返し実行される。
【００３０】
このように本実施の形態に係る電力変換器及びゲート電圧制御方法によれば、電圧制御回路３は、温度センサ４１〜４６の検出結果に基づき高温異常のトランジスタＱ１が検出された場合、トランジスタＱ１のゲート電極に印加するゲート電圧の値を増加補正する。ゲート電圧の値が増加補正されることにより、トランジスタＱ１は、オン抵抗が低下し、オン期間において完全なオン状態で動作可能となり、過熱が解消される。従って、オン抵抗のばらつきに起因する一部のトランジスタの過熱を緩和することができ、安定した動作を実現することが可能となる。
【００３１】
また、高温プロセスに起因して特性が安定しにくいＷＢＧ半導体デバイスを利用した電力変換器に対して本発明を適用することにより、オン抵抗のばらつきをゲート電圧の補正によって吸収する実益が大きくなる。つまり、複数のＷＢＧ半導体デバイスを用いた場合等のように、オン抵抗のばらつきが大きい場合であっても、ゲート電圧の増加補正によってオン抵抗を直接的に低下させるという本発明の制御方法によると、スイッチング速度を高速化するという上記特許文献１に開示された制御方法と比較して、スイッチング素子における損失を確実に低減させることが可能となる。
【００３２】
なお、以上では三相交流モータ駆動用のインバータを例にとり説明したが、三相に限らずさらに多相のモータ駆動用のインバータにおいても、また、Ｈブリッジ回路においても、本発明を適用することにより上記と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換器の構成を示すブロック図である。
【図２】ゲート電圧の補正処理の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３４】
２  インバータ回路
３  電圧制御回路
６  ゲート電圧制御部
７  ゲート電圧補正部
４１〜４６  温度センサ
Ｑ１〜Ｑ６  トランジスタ
【図１】
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【図２】
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